Синтез та аналіз систем енергоформуючого керування енергетично-тяговими системами електромобіля на базі BLDC двигуна

Abstract

Електромобільність у сучасному суспільстві стрімко розвивається, що зумовлено як постійним розвитком накопичувальних систем, так й інноваціями у сфері конструювання високоефективних електродвигунів, а також і силової електроніки. Цей розвиток вирішує численні завдання для науковців і створює нові виклики для досліджень, зокрема формування динамічних та статичних характеристик електродвигуна електромобіля і оптимізацію систем керування. Одним з передових підходів, який вирішує обидва завдання, є енергоформуюче керування, яке розділяє складну систему на підсистеми, які взаємодіють для досягнення бажаної енергетичної функції. Такий підхід забезпечує асимптотичну стійкість і оптимізує процес, спрямовуючи енергію до мінімуму. Розглянуто основні методи керування безщітковим двигуном постійного струму (Brushless direct current − BLDC), що живиться від акумуляторної батареї. Проведено порівняльний аналіз сучасних досліджень з оптимізації систем керування. Здійснено синтез системи енергоформуючого керування енергетично-тяговою системою електромобіля четвертого порядку. Застосовано підхід IDA-PBC, який дав змогу синтезувати оптимальні структури регуляторів. Здійснено налаштування застосовуваного методу шляхом параметричного синтезу та розв’язання оптимізаційної проблеми. Проведено симуляційні дослідження САК в середовищі MATLAB/Simulink. Досліджено структури отриманих регуляторів та їхній вплив на об’єкт керування, обрано оптимальну структуру для забезпечення якісних характеристик привода. Синтезовано структуру ФКВ, які забезпечують рух замкненої системи до заданої бажаної точки рівноваги з необхідною динамікою системи. Отримані характеристики привода забезпечують оптимальні параметри системи в динамічних та статичних режимах.

Electromobility is rapidly advancing in modern society, driven by continuous development in energy storage systems, innovations in the design of highly efficient electric motors, and advancements in power electronics. This progress addresses numerous challenges for researchers while introducing new opportunities for further studies, particularly in shaping the dynamic and static characteristics of electric vehicle motors and optimizing control systems. One of the advanced approaches that tackles both tasks is energy-shaping control, which divides complex systems into interacting subsystems to achieve a desired energy function. This method ensures asymptotic stability and partially solves the optimization problem by directing energy towards a minimum. This paper examines the primary control methods for a brushless direct current (BLDC) motor powered by a battery. A comparative analysis of modern research on control system optimization is conducted. The synthesis of an energy-shaping control system for a fourth-order electric vehicle energy traction system is carried out. The IDA-PBC approach is applied, allowing for the synthesis of optimal controller structures. The method is fine-tuned through parametric synthesis and the solution of an optimization problem. Simulation studies of the control system were performed in MATLAB/Simulink. The structures of the synthesized controllers and their impact on the control object were studied, leading to the selection of an optimal structure to ensure high-quality drive characteristics. The synthesized control structures ensure that the closed-loop system moves to the desired equilibrium point with the required system dynamics. The obtained drive characteristics provide optimal system parameters in both dynamic and static modes.